Guia de calor

CALOR
TEMPERATURA :
Para estudiar los fenómenos que llamamos térmicos o caloríficos es
necesario definir una magnitud fundamental : la temperatura.
Es una medida de la Energía Cinética media de sus partículas, de forma que un cuerpo está a mayor
o menor temperatura que otro si la Energía Cinética media de sus partículas es mayor
La medida de la temperatura se realiza mediante la manifestación externa de una propiedad de un
cuerpo que registra un termómetro.
TERMÓMETROS :
Son aparatos utilizados para medir la temperatura de los cuerpos
Se caracterizan por :
1. Alcanzar rápidamente la misma temperatura que el cuerpo con el que se pone en contacto
2. Medir la temperatura de una forma indirecta, es decir mide una propiedad física relacionada con
la temperatura, la cuál se caracteriza por presentar siempre el mismo valor a una temperatura
dada y por experimentar las mismas variaciones para los mismos cambios de temperatura
ESCALAS DE TEMPERATURAS :
Todas las escalas termométricas atribuyen un valor
arbitrario a ciertos puntos fijos, dividiendo las escalas en un número de divisiones iguales.
Las Escalas Termométricas son :
•
Escala Celsius
Asigna como valores fijos el 0 ºC (punto de fusión del agua) y el 100 ºC
(punto de ebullición del agua).
El intervalo 0 – 100 lo divide en 100 partes iguales
•
Escala Kelvin
Asigna como valores fijos el 0 ºK (Cero Absoluto) y el 273 ºK
(punto de fusión del agua).
Las divisiones son iguales que en la escala Celsius
La relación con la escala Celsius es :
T = t c + 273
Cero Absoluto :
Es la temperatura a la cuál cesa toda agitación térmica y es, por tanto, la mínima
temperatura que puede alcanzar un cuerpo
•
Escala Fahrenheit :
Asigna como valores fijos el 32 ºF (punto de fusión del agua) y el
212 ºF (punto de ebullición del agua).
El intervalo entre ambas temperaturas se divide en 180 partes iguales
La relación con la escala Celsius es :
tc
t F - 32
------ = ----------5
9
Punto Ebullición agua .........
100 divisiones
100 ºC
373 ºK
100 divisiones
Punto Fusión agua ..............
Cero Absoluto ..............
212 ºF
180 divisiones
0 ºC
273 ºK
32 ºF
– 273 ºC
0 ºK
- 460 ºF
Celsius
Kelvin
Fahrenheit
Ejemplo 1º :
92 º F ¿A cuántos grados Celsius corresponden? ¿Y Fahrenheit?
tc
92 - 32
----- = -----------5
9
: . t c = 33’33 ºC
ºK = 33’33 + 273 = 306’33 ºK
Ejemplo 2º :
37 º C ¿A cuántos grados Kelvin corresponden? ¿Y Fahrenheit?
37
t F - 32
----- = -----------5
9
: . t F = 98’6 ºF
ºK = 37 + 273 = 310 ºK
CALOR :
El calor es una forma de Energía transferida
El Principio cero de la termodinámica dice : “Cuando se ponen en contacto dos sistemas a distintas
temperaturas el sistema evoluciona hasta alcanzar el equilibrio térmico”. Esta evolución implica una
transformación de energía.
Definimos calor como una energía en tránsito entre dos cuerpos a distintas temperaturas.
Por ser una energía, sus unidades de medida son las de ésta. La unidad en el S.I. es el Julio; sin
embargo es muy habitual emplear la caloría o la kilocaloría (1 caloría = 4’18 Julios)
FORMAS DE TRANSFORMACIÓN DE CALOR :
•
Conducción :
Es la transferencia de calor que tiene lugar por transmisión de Energía de unas
partículas a otras, sin desplazamiento de éstas
Es típica en los sólidos.
Por ejemplo, si sujetamos una barra de hierro por un extremo y el otro lo
exponemos a la llama, al momento notaremos que nos llega el calor a nuestra
mano
•
Convección :
Es la transferencia de calor que tiene lugar mediante el movimiento de las
partículas de un fluido. El transporte es efectuado por moléculas de aire
Es típica de líquidos y gases.
Por ejemplo, si ponemos la mano cercana a una vela encendida notaremos su
calor, debido a que el aire que rodea la vela pierde densidad y asciende siendo
reemplazado por aire frío que desciende
•
Radiación :
Es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas sin intervención
de partículas que lo transporte.
Por ejemplo el calor que nos llega del Sol
EFECTOS DEL CALOR :
1º.- Aumento de la Temperatura
2º.- Cambios de Estado
3º.- Dilatación de los cuerpos
1º.- AUMENTO DE LA TEMPERATURA :
La cantidad de calor (cedido o absorbido) por un
cuerpo depende del incremento de la temperatura, de su masa y de su propia naturaleza
La naturaleza de cada sustancia se refleja en una magnitud física llamada “Calor Específico”
La formula que nos relaciona el Calor cedido o absorbido con los tres factores citados es :
Q = m · c · ∆ t = m · c · (t f – t 0)
Q ........ Calor => Si m se mide en gramos, Q vendrá dado en calorías
Si m se mide en Kilogramos, Q vendrá dado en Kilocalorías (Kcal)
c ........ Calor específico
t f ........ Temperatura final
t 0 ......... Temperatura inicial
Definiciones :
•
Calor específico (c) :
Es el calor que debe recibir 1 kilo de una sustancia para que aumente su
temperatura 1 ºC. Se mide en cal/gr ºC
•
Capacidad Calorífica (C) :
Es el calor que debe recibir una sustancia para que aumente su
temperatura 1 ºC. Se mide en cal/ ºC
•
Caloría :
Es la cantidad de calor que debe de recibir 1 gramo de agua para que su temperatura
aumente 1º C
Equilibrio Térmico :
En un proceso de mezcla de dos cuerpos a distinta temperatura, la cantidad
de calor cedida por el cuerpo caliente será igual a la cantidad de calor absorbida por el cuerpo frío
hasta alcanzar el equilibrio térmico :
Q cedido = Q absorbido
Sea la temperatura del cuerpo caliente t 1, su masa m 1 y su calor específico c 1
Sea la temperatura del cuerpo frío t 2, su masa m 2 y su calor específico c 2
Sea t m la temperatura final de equilibrio :
Como Q cedido = Q absorbido ==> m 1 · c 1 · (t 1 – t m) = m 2 · c 2 · (t m – t 2)
2º.- CAMBIOS DE ESTADO :
a) Fusión :
Es el cambio de estado que experimenta una sustancia al pasar de sólido a líquido.
El calor absorbido por un cuerpo en la fusión es igual al calor cedido por éste en la
solidificación.
Se llama “Punto de fusión” a la temperatura en la que se produce la fusión (en el
agua pura el punto de fusión es de 0 ºC). Mientras se produce el cambio de
estado, el punto de fusión es constante.
Se llama “calor latente de fusión” λfusión a la cantidad de calor por unidad de
masa que ha de suministrarse a una sustancia a su temperatura de fusión para
convertirla completamente en líquido
Se formula mediante la expresión :
Q = m · λf
El calor de fusión solo se emplea en el cambio de estado, no en aumentar la
temperatura
b) Vaporización :
Es el cambio de estado que experimenta una sustancia al pasar de líquido a
gas.
El calor absorbido por un cuerpo en la vaporización es igual al calor cedido por
éste en la condensación.
Se llama “Punto de ebullición” a la temperatura en la que se produce la ebullición
(en el agua pura es de 100 ºC). Mientras se produce el cambio de estado, el punto
de ebullición es constante.
Se llama “calor latente de vaporización” λvaporización a la cantidad de calor por
unidad de masa que ha de suministrarse a una sustancia a su temperatura de
ebullición para convertirla completamente en gas
Q = m · λv
El calor de vaporización solo se emplea en el cambio de estado, no en aumentar la
Temperatura.
Podríamos decir que el calor latente es la cantidad de calor necesaria para cambiar
de estado a temperatura constante.
Los calores latentes se miden en J/Kg o bien en cal/gr.
3º.- DILATACIÓN :
Al fenómeno por el que los cuerpos experimentan una variación de volumen
al modificar su temperatura, se le llama dilatación.
La variación de volumen de un sólido o un líquido depende de su naturaleza, generalmente la
dilatación en los gases es mayor que en los líquidos y en éstos es mayor que en los sólidos
• Dilatación de los sólidos :
En las construcciones de puentes, viaductos, edificios, .....
existen unas pequeñas separaciones, llamadas juntas de dilatación, las cuales se construyen en
previsión de la dilatación de los cuerpos, evitando con ello la deformación o rotura de la
estructura
Tipos de dilatación de los sólidos :
a) Dilatación Lineal :
Se contempla en aquellos cuerpos en los que una de sus dimensiones es
mucho mayor que en las otras dos (varillas, raíles, vigas....). Obras de arquitectura e
ingeniería pueden sufrir deformaciones peligrosas si no se tiene en cuenta la dilatación, para
evitarlo, es por lo que se dejan en los edificios las llamadas juntas de dilatación (huecos de
separación intercalados perpendicularmente en la obra).
Para estudiar la dilatación lineal hay que definir una propiedad de la materia, llamada
coeficiente de dilatación lineal (λ) :
Es el aumento que experimenta cada unidad de
longitud de la sustancia al aumentar 1 ºC su temperatura.
L
0
L = L 0 · (1 + λ ∆ t)
L
L 0 : Longitud inicial
L : Longitud dilatada
∆ t : Incremento de temperatura
b) Dilatación Superficial :
Se contempla en aquellos cuerpos en los que una de sus
dimensiones es mucho menor que las otras dos (chapas, láminas, espejos...)
Para estudiar la dilatación superficial hay que definir una propiedad de la materia, llamada
coeficiente de dilatación superficial (β) :
Es el aumento que experimenta cada unidad de
superficie de la sustancia al aumentar 1 ºC su temperatura.
S (Superficie Inicial)
0
S = S0 · (1 + β ∆t)
S (Superficie Final)
Se cumple además que β = 2 λ
S 0 : Superf. inicial
S : Superf. dilatada
∆ t : diferencia de tª
c) Dilatación Cúbica :
Se contempla en aquellos cuerpos en los que las tres dimensiones son
parecidas.
Para estudiar la dilatación cúbica hay que definir una propiedad de la materia, llamada
coeficiente de dilatación cúbica (γ) : Es el aumento que experimenta cada unidad de
volumen de la sustancia al aumentar 1 ºC su temperatura.
V 0 : Volumen inicial
V = V0 · (1 + γ ∆t)
V : Volumen dilatado
∆t : incremento de temperatura
Se cumple además que γ = 3 λ
• Dilatación de los líquidos :
Es semejante a la dilatación cúbica de los sólidos.
Cada líquido presenta un coeficiente de dilatación cúbica (k) característico, por lo que están
tabulados
Su expresión es :
V = V 0 (1 + k ∆t)
• Dilatación de los gases :
Su estudio se realiza a presión constante.
Todos los gases experimentan el mismo incremento de volumen con un mismo incremento de
temperatura
El coeficiente de dilatación, (α p), de los gases es el mismo para todos, siendo su valor :
1
α p = -----273
El valor del volumen final de un gas que ha experimentado un incremento de temperatura, se
calcula a partir de la expresión :
V = V 0 · (1 + αp ∆ t)
TERMODINÁMICA
Es la parte de la Física que estudia los cambios de Energía que se producen en los procesos físicos y
químicos.
Presta especial atención a la transformación de Trabajo en Calor y viceversa.
CALOR Y TRABAJO :
El primero que realizó una
experiencia demostrativa de que el calor era una forma de
energía fue J.P. Joule. Dispuso una cubeta de agua con unas
palas rotatorias unidas a un peso a través de una polea.
El peso descendía a consecuencia de la gravedad, provocando
el giro de las paletas y con ello un aumento de la temperatura
del agua.
En consecuencia, la producción de un trabajo podía producir
calor, por lo que se demostraba la equivalencia entre calor y
trabajo como dos manifestaciones distintas de energía
El calor y el trabajo son energía en tránsito
Si el tránsito se debe a una diferencia de temperaturas
se llama Calor; si el tránsito se debe al desplazamiento
por acción de una fuerza se llama Trabajo.
•
Equivalente mecánico del Calor :
Joule comprobó que siempre se necesitan 4’18 Julios de
Trabajo para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1 ºC. Es decir 4’18 Julios de Energía
mecánica equivalen a 1 caloría de Energía térmica. Este resultado se conoce como Equivalente
Mecánico del Calor
1 julio = 0’24 calorías
1 caloría = 4’18 julios
PRIMER PRINCIPIO DE TERMODINÁMICA :
Supongamos un émbolo con un gas en su
interior y le comunicamos calor (Q). Dicho calor hará que al cabo de un tiempo se expanda el
émbolo
En definitiva :
Si comunicamos calor (Q) a un sistema aislado, dicho calor se convierte en aumentar la Energía
Interna (U) del sistema y en la producción de Trabajo (W) para la expansión.
Esto se expresa en el Primer Principio de la Termodinámica :
∆Q=∆U+ ∆W
•
¿Qué es la Energía Interna? :
Es la suma de todas las energías que pueda tener el sistema, es
decir, suma de las Energías : Potencial, Cinética, de Vibración, de Rotación, de Enlace y
Térmica de todas las moléculas que integran el sistema.
Es una Función de Estado, es decir su valor solo depende de sus estados inicial y final
Q (positivo)
W (negativo)
Criterio general de signos :
(Q +)
El Trabajo realizado por el sistema es Positivo
El Trabajo realizado por el ambiente es Negativo
El calor cedido por el sistema es Negativo
El calor absorbido por el sistema es Positivo
Q (negativo)
W (positivo)
SEGUNDO PRINCIPIO DE TERMODINÁMICA :
Conocido como “El Principio de la
degradación de la Energía”
Es mucho más fácil transformar trabajo en calor que al revés (por ejemplo, cuando frenamos un
coche, la energía cinética del coche se convierte en calor en las pastillas del freno. Pero no podemos
utilizar el calor de las pastillas del freno para producir energía cinética y hacer andar el coche).
Esto hace pensar que el calor es una energía de menor calidad, menos útil, degradada
Fue el ingeniero francés S. Carnot el que llegó a establecer el segundo Principio de Termodinámica
“No puede existir ninguna máquina térmica capaz de transformar íntegramente todo el calor
absorbido en energía mecánica”
Foco caliente
Las máquinas térmicas funcionan entre dos focos caloríficos a diferente
temperatura. Parte del calor que cede el foco caliente se transforma en
trabajo y el resto es captado por el foco frío.
Se llama Rendimiento de una máquina térmica al cociente entre el
trabajo y la cantidad de calor cedido por el foco caliente :
W
η = -----Q1
W
η en % = ----- · 100
Q1
Q1
W = Q1 - Q2
Q2
Foco frío
Las máquinas térmicas más importantes son : La máquina de vapor, la turbina de vapor y el motor
de explosión
FUENTES DE ENERGÍA :
Las fuentes de energía se clasifican en renovables o no renovables.
Son energías renovables las que llegan de forma continua a la superficie terrestre y son inagotables :
Son energías no renovables aquellas que se encuentran en cantidades limitadas y van disminuyendo
sus reservas continuamente : carbón, petróleo, gas natural, energía nuclear y energía geotérmica.
Las energías alternativas (nuevas fuentes de energía), se encuentran en fase de estudio, su
producción mundial es todavía escasa. Es el caso de la energía solar, eólica, maremotriz, geotérmica
y biomasa.
• Solar : Llega a la Tierra en forma de radiación, procedente del Sol. Se usa para calefacción de
edificios y producción de energía eléctrica
• Eólica : Es energía producida por el viento. Es importante en aquellas zonas sometidas a fuertes
vientos constantes
• Maremotriz : Aprovecha la energía procedente de las olas y de las mareas. Tiene el
inconveniente que para aprovecharla necesita complicadas y costosas instalaciones.
• Geotérmica : Aprovecha la energía que procede de las profundidades terrestres (géiseres, aguas
termales, fumarolas....)
• Biomasa : Es la que se obtiene de los restos orgánicos, que por acción de microorganismos se
van transformando (química o biológicamente). Además de su aprovechamiento energético,
permite la eliminación de residuos.